金属与合金的晶体结构

1、第二章 金属与合金的晶体结构 金属的特性和金属键 金属键metallic bond： 金属材料内部，呈一定 规律排列的正离子与公 有化的自由电子靠库仑 力（coulomb force）结 合起来，这种结合力即 为金属键。 由金属键结合起来的晶 体叫金属晶体。 特点： 无饱和性和方向性。 金属的特性和金属键 金属的特性： 良好的导电性和导热性 不透明，具有良好的反射性，形成金属光泽 一般具有较高的强度和良好的塑性 常温下均为固体（汞除外），能相互熔合 有正的温度系数，很多金属在极低温下具有超 导性 第一节晶体的基本知识 晶体与非晶体 晶体crystal： 内部原子或分子呈规则 排列的物质。 特点

2、： 具有固定的熔点 具有规则的几何外形 各向异性。 自然界中绝大部分固 态物质都是晶体。 所有固态金属都是晶 体。 晶体与非晶体 非晶体noncrystal： 内部原子或分子呈无规则排列的物质。 特点： 没有固定的熔点 各向同性 如：松香、玻璃、沥青、石蜡等都是非晶 体。 单晶体与多晶体 单晶体monocrystal： 是原子在三维空间中呈规则、周期排列的晶体。 由一颗晶粒发育而成。 如：单晶硅。 自然结晶的物质都不是单晶体。 多晶体polycrystal： 由两颗以上晶粒组成的晶体。 金属晶体都是多晶体。 晶格、晶胞和晶格常数 晶格crystal lattice： 又称为晶体点阵。 是描述晶

3、体中原子排列 规律的空间格架（点 阵）。 晶格、晶胞和晶格常数 晶胞unit lattice ： 能代表晶格特征的最小 基本单元。 是晶体的基本结构单位。 晶格、晶胞和晶格常数 晶格常数 crystallographic lattice constant： 用来描述晶胞大小与形 状的几何参数三条 棱长： a、b、c，单位为 （=10-8cm） 三条棱的夹角： 、 第二节 金属的晶体结构 金属中常见的晶格 金属中常见的晶格主要有： 体心立方晶格（bcc） 面心立方晶格（fcc） 密排六方晶格（hcp） 体心立方晶格（bcc） 晶格常数： a = b = c； = 90 密排方向（原子排列最 紧密

4、的方向） ： 立方体的对角线方向。 原子半径： ar 4 3 体心立方晶格（bcc） 晶胞原子数（一个 晶胞内所拥有的原 子个数）： 81/8+1=2 具有体心立方结构的 金属有： -fe、 cr、v、mo、 w等约30多种。 面心立方晶格（fcc） 晶格常数： a = b = c； = 90 密排方向： 立方体表面的对角 线方向 原子半径： ar 4 2 面心立方晶格（fcc） 晶胞原子数： 81/8+61/2=4 属于fcc晶格的金属主 要有： -fe、cu、al、au、 ag、pb、ni等20多种。 密排六方晶格（hcp） 晶格常数： a = b c c / a（轴比） =1.633 =

5、 90 = 120 密排方向： 顶面的对角线方向 原子半径：2/ar 密排六方晶格（hcp） 晶胞原子数： 1/612+1/22+3=6 属于hcp晶格的金属主 要有： mg、zn、be等。 晶体结构的致密度与配位数 描述晶格中原子排列紧密程度的参数： 晶体结构的致密度 配位数 晶体结构的致密度 晶体结构的致密度： 晶胞中原子所占的体积与晶胞体积之比。 k=nv/v k致密度； n一个晶胞实际包含的原子数； v一个原子的体积； v晶胞的体积 致密度越大，原子排列的紧密程度越高。 晶体结构的致密度 bcc: fcc: hcp: 68. 0 ) 4 3 ( 3 4 2 3 3 a a k 74.0

6、 ) 4 2 ( 3 4 4 3 3 a a k 74. 0 633. 1)60sin(6 ) 2 ( 3 4 6 2 2 1 3 aa a k 配位数 配位数 晶格中与任一原子紧靠，且距离相等的原子的个数， 称为配位数。 配位数越大，原子排列的紧密程度越高。 bcc: 配位数为8个； fcc: 配位数为12个； hcp: 配位数为12个； 晶面与晶向 晶面crystal face： 晶体中由一系列原子中心构成的平面。 晶面指数indices of crystallographic plane： 用于表明晶面在晶格中位置的一系列参数。 晶面指数的确定方法 沿晶胞的棱边设定坐标系（坐标系的原点应

7、于晶面之 外）； 求晶面在各棱边上的截距：a 2a 将各截距值得取倒数：1/a 1/2a 0 化为最小整数比，各数之间用空格空格分开：2 1 0 将各整数列入圆括号（）：（2 1 0） 晶面与晶向 晶向orientation： 晶体中任意两个原子的中心连线所指的方向。 晶向指数orientation index： 确定某一晶向在晶格中方位的参数。 晶向指数的确定方法 设定坐标系： 坐标系的原点应位于晶 向矢量的箭尾； 在晶向上任取一点， 求该点的坐标值； 化为最小整数比，各 数之间用空格分开； 将各整数列入方括号 。 晶体的各向异性晶体的各向异性 与实际金属的各向同性与实际金属的各向同性 在单

8、晶体中，由于不同晶面或晶向上原子 排列的紧密程度不同，原子间的作用力也 不相同，故晶体在不同方向上就表现出不 同的力学性能和理化性能 晶体的 “各各 向异性向异性” 。 晶体的各向异性晶体的各向异性 与实际金属的各向同性与实际金属的各向同性 实际金属材料一般都是多晶体，内部包含 许多小晶体（晶粒），各个小晶体（晶粒） 的位向各不相同。从宏观上看，它们的 “各向异性”被相互抵消了，因此金属材 料的性能的宏观表现仍为各向同性。各向同性。 第三节 合金的晶体结构 合金的基本概念 合金alloy： 由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非 金属元素组成的，具有金属特性的物质。 例如： 黄铜(cu+zn

9、) 碳钢(fe+c) 合金的基本概念 组元group component： 组成合金的最基本的、独立的物质。 组元通常是纯元素，也可以是稳定的化合 物。 按组成合金的组元数目，合金可分为： 二元合金 三元合金 多元合金 合金的基本概念 合金系alloy system： 组元相同，但配制比例不同的所有合金系列。 按组成合金的组员数目，合金系也可分类 为： 二元系 三元系 多元系 合金的基本概念 相phase： 合金中具有同一化学成分且结构相同的均匀部 分。 合金中的相与相之间有明显的分界面 相界。 液态合金通常都是单相合金。 固态合金： 单相合金：由一个固相组成 多相合金：有两个以上的固相 合金

10、的基本概念 组织texture： 合金材料的微观形貌。 包括：各相成分、结构、形态及各相组合情况。 合金的相结构 固态合金的相结构： 固溶体solid solution 金属化合物metallic compound 固溶体solid solution 固溶体solid solution： 固态下，组元间相互溶解而形成的均匀相。 固溶体的晶格结构与其中某一组元的晶格 结构相同，该组元称为溶剂。 其它组元为溶质。 在固溶体中，一般溶剂含量较多，而溶质 含量较少。 固溶体solid solution 固溶体的分类： 间隙固溶体interstitial solid solution 置换固溶体subs

11、titutional solid solution 固溶体solid solution 间隙固溶体interstitial solid solution： 溶质占据溶剂晶格中的 间隙位置。 又称插入固溶体、嵌入 固溶体。 固溶体solid solution 间隙固溶体的特点： 溶质为非金属 溶质在溶剂中的溶解度 是有限的有限固溶 体。 间隙固溶体的形成条 件： 溶质原子与溶剂原子直 径的比值 d质/d剂0.59 固溶体solid solution 置换固溶体 substitutional solid solution： 溶质占据溶剂晶格中的 结点位置。 又称取代固溶体。 固溶体solid so

12、lution 置换固溶体的特点： 溶质原子与溶剂原子的原子直径差别越小 （d质/d剂=0.851.15），溶解度越大； 溶质元素与溶剂元素在元素周期表中的位置越 靠近，溶解度越大。 温度越高溶解度越大。 固溶体solid solution 置换固溶体按溶解度分 为： 有限固溶体在一定 条件下，溶质原子在溶 剂晶格当中溶解到一定 程度时，就不能再溶解 了。如： cu-zn、cu-sn 无限固溶体溶质能 以任何比例溶入溶剂。 如： fe-cr、cu-ni 固溶体solid solution 固溶强化solid solution strengthening： 在固溶体中，随着溶质的加入，导致固溶体的

13、晶格发 生畸变， （晶格畸变会阻碍位错移动），使塑性变形 的抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度提高。 固溶体solid solution 适当的固溶强化在显著提高金属材料的强 度、硬度的同时，仍能保持较高的塑性和 韧性，因此是强化金属材料的重要途径之 一。 由于固溶体具有较好的力学性能，结构性 材料都是以固溶体作为基体相的。 金属化合物metallic compound 金属化合物metallic compound： 合金组元间发生相互作用而形成一种具有自己 独特的晶体结构的新相。 也称为中间相。 金属化合物metallic compound 特点： 晶格类型和性能均不同于任一组元，一般可以

14、 用分子式大致表示其组成。 例如：钢中渗碳 体（fe3c）。 一般具有复杂的晶格结构。 性能特点是熔点高、硬而脆，可提高材料的强 度、硬度和耐磨性，但是会降低塑性和韧性。 因此，在金属材料中，一般不作为基体相，而 是作为第二相（强化相）存在。 金属化合物metallic compound 分类： 正常价化合物 电子化合物 间隙化合物 金属化合物metallic compound 弥散强化dispersion strengthening： 又称为第二相强化/析出强化 是指在合金中，当金属化合物以细小的颗粒状 形式均匀地分布（弥散分布）在固溶体基体上 时，将导致合金材料的强度、硬度和耐磨性明 显提

15、高，但塑性和韧性会有所下降的现象。 结论 在实际生产中，通过调整合金中固溶体的 溶质含量和金属化合物的数量、大小、形 态及分布状况（即改变材料的内部组织结 构），可使合金的力学性能发生改变，以 满足工程中的不同使用要求。 第四节 实际金属的晶体结构 金属的显微组织 金属的显微组织通常被称为金相组织 metallurgical structure。 是在金相显微镜下才能被观察到的金属内部组 织结构。 多晶体与亚组织 晶粒crystal grain： 存在于多晶体内部的外 形不规则的小晶体。 特点： 晶粒内部的晶格位向是 一致的 各个晶粒的位向都是不 同的。 晶界 crystal boundary

16、 ： 晶粒与晶粒之间的接触 界面。 多晶体与亚组织 亚组织/亚晶粒： 存在于实际金属晶体的 单个晶粒内部的尺寸更 小、位相差也很小的小 晶块。 特点： 内部的晶格位向一致。 亚晶界： 两相邻亚晶粒之间的界 面。 晶体的缺陷 晶体的缺陷分为： 点缺陷三个方向上的尺寸都很小，相当于 原子的尺寸。如：空位、间隙原子。 线缺陷在两个方向上的尺寸很小，另一根 方向上的尺寸相对很大主要指位错。 面缺陷在一个方向上尺寸很小另两个方向 上的尺寸相对较大。如：晶界、亚晶界。 体缺陷第二相。 晶体的缺陷 点缺陷空位、间隙原子与置换原子： 在点缺陷的附近，周围原子偏离了原来的平衡位置， 产生了晶格畸变。 由于晶格畸

17、变会阻碍位错移动，导致晶体的强度、硬 度提高固溶强化。 晶体的缺陷 线缺陷位错dislocation： 在晶体中的某处，一列或若干列原子发生了有规律的 错排现象。 可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线。 晶体的缺陷 位错密度（cm/cm3） 单位体积中位错线的总长度。 v晶体的体积 s体积为v的晶体中位错线的总长度 v s 位错对金属性能的影响 位错密度与金属的强 度的关系： 当金属处于退火状态时 强度是最低的； 理想晶体（无位错）的 强度很高； 金属产生冷加工变形时， 由于位错密度提高，使 金属的强度和硬度提 高加工硬化/形变 强化。 位错对金属性能的影响 金属材料的塑性变形实际上是通

18、过位错的运动来实现的 在位错移动时，由于不需整个晶体上下两部分的原子同时发生相 对移动，而每次只需位错中心附近的少数原子作微量运动，那么 位错移动所需临界切应力很小，因此实际金属的强度比理想晶体 （无位错）的强度要低很多“位错易动性”。 晶体的缺陷 面缺陷晶界和亚晶界： 在多晶体中，由于晶界位于 两晶粒间的过渡带，原子排 列不规则，产生晶格畸变， 阻碍位错移动，使材料的塑 性变形抗力增大。 细化材料的晶粒，可以使材 料的晶界面积显著提高，从 而提高材料的强度和硬度 细晶强化。 由于晶界处原子排列不规则， 原子间隙较大，所以晶界处 原子能量较高，杂质容易聚 集，导致晶界处容易被腐蚀； 晶界处的熔点较低等等。 奥氏体 铁素体 晶体的缺陷 体缺陷第二相 在合金材料的结晶过程中，随着温度的 降低，固溶体的溶解度发生变化，会沉 淀析出第二相。 如果第二相以弥散的小颗粒状方式分布 在第一相基体上，也会阻碍位错移动， 从而提高材料的强度和硬度弥散强 化/第二相强化/析出强化。 晶体的缺陷 例如：改性高锰钢